CC BY
13
УДК 519.6
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-163-168
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИИ КАНАЛА НА ДИФРАКЦИЮ УДАРНЫХ ВОЛН
ПРИ ДЕТОНАЦИИ ГАЗА
А.А. Сназин, В.И. Шевченко
В статье представлены результаты исследования взаимодействия ударных волн с короткими профилированными участками плоского канала, равноудалёнными от точки инициирования ударной волны. Геометрия профилированных участков выбрана на основе положения о том, что каналы с острыми углами или кромками могут создавать более сильные отраженные ударные волны. В результате серии проведенных расчетов были получены различные картины дифракции ударных волн при их взаимодействии со стенками канала. Установлено, что при прохождении ударной волны профилированного участка с серией постепенных сужений и расширений канала происходит значительное увеличение давления в рассматриваемом канале.
Ключевые слова: дифракция, ударные волны, распространение ударной волны.
1. Введение. Актуальность исследования особенностей процессов инициирования и распространения детонационных волн обусловлена необходимостью развития различных энергетических установок, в том числе детонационных двигателей. Концепция развития современного детонационного двигателя состоит в том, что распространение детонационной волны происходит в тракте двигателя, имеющего сложную геометрическую форму [1]. Поэтому особый интерес вызывают процессы, связанные с условиями стабилизации и поддержания детонационного горения в сверхзвуковом потоке. Существует несколько основных способов стабилизации и поддержания детонации. Один из них — это применение дополнительного энергоподвода слабыми разрядами. Другим способом стабилизации и поддержания детонации является создание специализированных профилированных каналов.
Проведение исследований детонации газовых смесей в закрытых каналах является актуальным в связи с развитием технологий, связанных с применением детонационных процессов, для создания тяги в импульсных детонационных и реактивных двигателях. Большой интерес представляют особенности распространения детонационных волн в каналах сложной формы с учетом наличия отражений и дифракций ударных волн. Что, в свою очередь, может приводить к тому, что детонационная волна станет более интенсивной или рассеянной, в зависимости от условий.
Исследованию данных процессов посвящено достаточное количество работ. Так, в работах [24] проводилось численное моделирование детонационных течений на обратном уступе и в каналах с внезапным расширением. Было показано ослабление детонации за уступом, наличие перестройки ячеистой структуры в каналах с разрывом сечения, различные варианты развития ячеистой структуры детонации. В работе [5] приведены результаты трехмерного численного исследования распространения ударных волн в квадратном канале с образованием ячеистой структуры. В работе [6-10] показаны результаты численного двумерного моделирования распространения ударной волны в плоском канале с наличием конических и щелевых перегородок.
В данной работе представлены результаты исследования влияния различных профилей канала на распространение и стабилизацию ударных волн. В частности, рассматривается взаимодействие волны с короткими профилированными участками, равноудалёнными от точки инициирования ударной волны.
2. Постановка задачи. В работе моделируется распространение детонационной волны в покоящейся при нормальных условиях (p0 =0,09 МПа, T0 = 293К) газовой среде в плоском канале высотой (h) равной 30 мм, длиной равной 6*h (рис. 1, а). Левая часть канала заглушена, а правая часть представляет собой открытый выход. Инициирование ударной волны происходит путем добавления мгновенного подвода энергии в области закрытого торца канала с параметрами (pH = 1МПа, T0 = 700 К). На расстоянии 1.5h от начала канала находится область с профилированными участками. Форма профилированных участков показана на рис. 1, б. Геометрия профилированных участков выбиралась на основе положения о том, что каналы с острыми углами или кромками могут создавать более сильные отраженные ударные волны по сравнению с каналами с закругленными углами или кромками. Математическая модель основана на двумерных уравнениях Навье-Стокса динамики сжимаемой среды с учетом вязкости.
и 4)
—
Е; 2) st JNN4N4N
J) -_ 6)
а б
Рис. 1. Геометрия объекта исследования: а - геометрия плоского канала; б - геометрия
профилированных участков
Исследование процессов инициирования и распространения детонационных волн в каналах различных устройств сопровождается необходимостью рассмотрения расчетных областей различных форм. Эти вопросы сопряжены с построением подробных расчетных сеток, позволяющих разрешать газодинамические неоднородности. Расчетная область состоит из 1,645*106 элементов (рис. 2).
тип профиля - 3 тип профиля - 6
Рис. 2. Сетка конечных элементов профилированных участков канала
Для разрешения пульсационных составляющих применялся вихреразрешающий метод моделирования крупных вихрей (Large Eddy Simulation, LES) [11]. Шаг по времени был выбран на основе критерия скорости распространения детонационных волн и принят равным At = 6*10-7, а число подшагов равнялось 25 для достижения сходимости решения по невязкам на каждом временном шаге.
3. Результаты расчетов. Численное моделирование показало, что при фиксированных параметрах профилированная форма каналов оказывает существенное влияние на характер распространения детонационных волн. Видно, что результат взаимодействия волны со стенками и профилированным участком канала сильно зависит от его формы. Для случая отсутствия профилирования канала (рис. 3, .а), после подвода энергии в газе возникает детонационная ударная волна. Фронтальная волна начинает двигаться вдоль канала по направлению выхода из расчетной области. Одновременно начинает происходить отражение волн от задней и боковых стенок. В результате отражения от стенок канала волна деформируется, возникают поперечные волны и во фронте формируется ячеистая структура. В связи с тем, что процесс распространения детонационной волны в канале является быстро текущим, то примем полное время прохождения волны через канал равное т = 1. На рис. 3, 5, 7 показано, как происходит формирование детонационной структуры потока в канале в промежутке времени от т = 0,07 до т = 0,85.
(I)
г = 0,07 т = 0,07
Рис. 3. Взаимодействие детонационной волны со стенками канала: а - тип профиля -1; б - тип профиля - 2
На рис. 4, а представлены зависимости изменения давления по длине канала с течением времени. Видно, что в начальный момент времени и до т = 0,24 в зоне начала инициирования детонации поддерживается достаточно высокий уровень давления. При достижении ударной волны закрытого торца канала давление в данной области достигает значений равных р = 1,4МПа. В то же время детонационная
164
волна продолжает двигаться вперед, толкая перед собой газ и вызывая его расширение. При этом происходит значительное снижение уровня давления в передней части детонационной волны. Такая разница давлений заставляет двигаться детонационную волну вперед по каналу, поддерживая высокий уровень давления в зоне инициации.
2.ВО ЗАО 1.90 ~ 1-ЧО 0.40 0.40
аб Рис. 4. Изменение давления по длине канала с течением времени: а - тип профиля -1;
б - тип профиля -2
На рис. 3, б представлены картины эволюции ударных волн с течением времени для канала с профилированным участком. Из рисунка видно, что изменения в характере распространения ударной волны по сравнению с вариантом без профилирования начинаются в области резкого расширения канала. Когда ударная волна огибает уступ (рис. 3, б т = 0,24), создаётся сложная ударно- волновая структура с образованием вихрей, вторичных скачков уплотнения и волн разряжения. Далее, при прохождении ударной волной места резкого сужения, ее энергия начинает рассеиваться и происходит ее дифракция. При этом ударная волна начинает распространятся веерообразно, с максимальной энергией на оси симметрии канала.
На рис. 4, б видно, что по мере приближения ударной волны к месту сужения канала происходит снижение давления, волна начинает изгибаться, а ее сила уменьшается. В то же время по бокам сужения возникают волны расширения, которые движутся наружу и, в конечном итоге, встречаются и отражаются обратно в виде волн сжатия. Результатом процесса дифракции является уменьшение силы ударной волны и увеличение ее кривизны, что вызывает значительные изменения в поле давления ниже по течению от сужения.
0
т = 0,07
т = 0,24
V
# I
т = 0,43
®
г =0,07
1ШГ
г = 0,85 а
Рис. 5. Взаимодействие детонационной волны со стенками канала: а - тип профиля - 3;
б - тип профиля - 4
Далее был рассмотрен процесс распространения ударной волны по каналу с плавным сужением и резким расширением (рис. 5, а). Когда ударная волна проходит через область сужения, она начинает изгибаться в сторону движения. Такое изгибание вызвано локальным изменением скорости потока по мере сужения канала. Далее ударная волна проходит участок резкого расширения, где происходит огибание ударной волной выступа. При этом фронтальную ударную волну догоняет отраженная от глухой стенки канала волна, с учетом дифракции эволюционировавшая в сложную ударно-волновую структуру с повышенным давлением (рис. 6, а).
Моделирование прохождения детонационной ударной волны по каналу с серией последовательных зон расширений и сужений (рис. 5, б) показало, что ударная волна после прохождения профилированного участка на фронте приобретает веерообразную структуру. Также, можно заметить, что с тече-
нием времени по ходу движения ударной волны образуется устойчивая ударно-волновая структура. А в области инициирования детонации за счет сильной дифракции ударных волн образуется устойчивая зона повышенного давления (рис. 6, б).
-1 0.07 -т 0.2J —х — (1.4.1
ж - 0.85
r^jy Л л, J щ ш hL
I 11ИЩ .1
* 007 i — |>.И 1 I I •
а б
Рис. 6. Изменение давления по длине канала с течением времени: а - тип профиля - 3;
б - тип профиля -4
©
©
т = 0,07
+=3
г = 0,24
т = 0,07
)
т = 0,24 г = 0,43
т = 0,85 т = 0,85
и 6
Рис. 7. Взаимодействие детонационной волны со стенками канала: а - тип профиля - 3;
б - тип профиля - 4
При прохождении детонационной ударной волной пилообразного участка канала, она, сталкиваясь с острыми углами, дифрагирует при прохождении каждого угла, образуя сложную картину отраженных волн (рис. 7, а). График распределения давления по сечению канала (рис. 8, а) показывает, что пилообразный участок образовал серию областей высокого и низкого давления.
•--X " O.OT -* O.J4 -1 Q.43
L -г - i>,85
' тк > AJ , Л III LA| IIJ
WW\|[ Lji
-I И.1П —г - <1 24 - г - л -»г I - O.SS
аб Рис. 8. Изменение давления по длине канала с течением времени: а - тип профиля - 3;
б - тип профиля -4
На рис. 7, б показаны результаты моделирования плоского канала, где участок профилирования представляет собой серию постепенных сужений и расширений канала. По мере продвижения фронта передаваемой ударной волны к выходу из канала ее структура значительно меняется. Отраженные ударные волны взаимодействуют и приводят к множественным ударным отражениям на верхней и на нижней стенке, как видно на рис. 7, б. Таким образом, из рисунка видно, что передаваемая ударная волна претерпевает отражение и дифракцию по мере продвижения по профилированному проходу. В результа-
те этого часть энергии первичной ударной волны теряется в многочисленных отражениях и дифракциях. При этом в зоне инициирования детонации образуется обширная область высокого давления (рис. 8, б), образованная за счет сильного переотражения волн профилированного участка.
4. Выводы. В данной работе было представлено комплексное математическое моделирование дифракции ударных волн при прохождении через плоский канал с различными профилированными участками. Процессы, происходящие при взаимодействии ударных волн с различной геометрией профилированных участков, носят комплексный характер, а каждый участок образует свою сложную ударно-волновую структуру. Наличие одной зоны расширения (рис. 3, б) приводит к уменьшению силы ударной волны и увеличению ее кривизны, что вызывает сильные изменения в поле давления ниже по течению от сужения. В тоже время серия сужений и расширений, образованных различными профилями канала, оказывают значительное влияние на уровень дифракции ударной волны. Так при прохождении профилированного участка, который представляет собой серию постепенных сужений и расширений канала (рис. 7, б) было получено значительное увеличение давления в рассматриваемом канале в 10 раз.
Полученные результаты дают широкое представление о сложном поведении ударных волн при прохождении различных геометрических участков с наличием острых углов, внезапных расширений и сужений. Так же эти результаты можно использовать при проектировании перспективных детонационных двигателей.
Список литературы
1. Зельдович Я.Б. Теория ударных волн и введение в газовую динамику / Отв. Ред. Н.Н. Семенов. Изд. 2-е. М.: ЛЕНАНД, 2014. 192 с.
2. Федоров А.В., Кратова Ю.В., Хмель Т.А., Фомин В.М. Распространение ударных и детонационных волн в каналах различной геометрии в газовзвесях // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2008. Т. 7. С. 5. EDN LALGQZ.
3. Федоров А.В., Хмель Т.А., Кратова Ю.В. Распространение ячеистой гетерогенной детонации в условиях изменяющейся геометрии // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2012. Т. 13. № 4. С. 11. EDN SCZTGT.
4. Булат П.В., Волков К.Н. Численное моделирование дифракции ударной волны на прямом угле на неструктурированных сетках // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 2. С. 354-362. DOI 10.17586/2226-1494-2016-16-2-354-362. EDN VSDNYP.
5. Kratova Yu. Numerical simulation of heterogeneous detonations in plane and rectangular channels on hybrid CPU/GPU systems / Yu. Kratova, A. Kashkovsky, A. Shershnev // AIP Conference Proceedings : Proceedings of the XXVlI Conference on High-Energy Processes in Condensed Matter, dedicated to the 90th anniversary of the birth of RI Soloukhin, Novosibirsk, 29 июня - 03 2020 года. Vol. 2288. - Novosibirsk: AIP Publishing LLC, 2020. P. 030016. DOI 10.1063/5.0028360. EDN BCKVOP.
6. Ohtomo F., Ohtani Kiyonobu, Takayama Kazuyoshi. Attenuation of shock waves propagating over arrayed baffle plates. Shock Waves. 2005. 14. P. 379-390. DOI: 10.1007/s00193-005-0282-5.
7. Wan Qian, Eliasson Veronica. Numerical Study of Shock Wave Attenuation in Two-Dimensional Ducts Using Solid Obstacles: How to Utilize Shock Focusing Techniques to Attenuate Shock Waves. Aerospace. 2015. DOI: 2. 10.3390/aerospace2020203.
8. Rajagopal Arun, Pathak Vaibhav. Shock wave mitigation using zig-zag structures and cylindrical obstructions. Defence Technology. 2020. 17. DOI: 10.1016/j.dt.2020.10.001.
9. Le H., Wu J., Gao X., Shi W., Song J. Influence of size effect on shearing strength of zig-zag structure plane. 2016. 35. P. 745-750. DOI: 10.11956/j.issn.1008-0562.2016.07.015.
10. Численное моделирование регулярного и маховского отражения ударной волны от стенки / М.П. Булат, И.А. Волобуев, К.Н. Волков, В.А. Пронин // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 5. С. 920-928. DOI 10.17586/2226-1494-2017-17-5-920-928. EDN ZQQFON.
11. Menter F.R., Galpin P.F., Esch T., Kuntz M., Berner C. CFD Simulations of Aerodynamic Folws with a Pressure-Based Method // Paper ICAS 2004-2.4.1, Japan, Yokohoma, 2004. 11 p.
Сназин Александр Андреевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, alexsnzn@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского,
Шевченко Василий Иванович, младший научный сотрудник, artnetru@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского
STUDY OF THE EFFECT OF CHANNEL GEOMETRY ON SHOCK WAVE DIFFRA CTION DURING GAS
DETONATION
A.A. Snazin, V.I. Shevchenko 167
The paper presents the results of a study of shockwave interaction with short profiled sections of a flat channel equidistant from the shockwave initiation point. The geometry of the profiled sections was chosen on the basis of the assumption that channels with sharp angles or edges can produce stronger reflected shock waves. As a result of a series of calculations carried out, different patterns of shock wave diffraction during their interaction with the channel walls were obtained. It was found that when the shock wave passes the profiled section with a series of gradual constrictions and expansions of the channel, there is a significant increase in pressure in the channel in question.
Key words: diffraction, shock waves, shock wave migration
Snazin Aleksandr Andreevich, candidate of technical science, senior researcher, alexsnzn@gmail.com, Russia, Saint-Peterburg, Mozhaisky Military Space Academy,
Shevchenko Vasiliy Ivanovich, junior researcher, artnetru@yandex. ru, Russia, Saint-Peterburg, Mozhaisky Military Space Academy
УДК: 621.316.13
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-168-172
УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ В СЕТЯХ 6 КВ
Х.Д. Бобоев
Состояние изоляции электрооборудования определяет надежность работы электроустановок. Повреждения изоляции являются часто основной причиной многих несчастных случаев. В состав профилактики неисправностей электроустановок важнейшей составной частью входит контроль изоляции, а также безопасность работы электроустановок и сетей в значительной степени определяется состоянием их изоляции. В данной статье предлагается, разработанная нами устройство контроля изоляции (УКИ), которое позволяет непрерывно контролировать общее сопротивление изоляции РЭС в рабочем режиме и дает возможность следить за динамикой сопротивления изоляции электрооборудования и принимать оперативные меры по обеспечению оптимального уровня изоляции. Работоспособность предлагаемой УКИ была проверена на компьютерной модели. В заключение следует отметить, что внедрение в практику разработанной УКИ позволит повысить надежность и безопасность систем электроснабжения.
Ключевые слова: устройство контроля изоляции, распределительная сеть, параметры изоляции.
Состояние изоляции электроустановок с изолированной нейтралью является определяющим фактором их надежной эксплуатации. Особую актуальность этот вопрос приобретает для специальных электрических сетей (горные предприятия, нефтегазовые предприятия и др.) с тяжелыми условиями работы электрооборудования [1-5]. Организация технически грамотной эксплуатации таких сетей требует определения трех параметров изоляции (полной, активной и емкостной).
Горнодобывающая отрасль является одними из крупнейших объектов потребления электроэнергии и требуют значительных площадей для размещения подстанций и распределительных электрических сетей (РЭС), питающих оборудование и установки [1,2, 6-8]. Сеть распределения электроэнергии на предприятии должна обладать высокой надежностью, эффективностью и безопасностью [2, 9, 10]. На горнодобывающих предприятиях из года в год внедряются новые машины, механизмы и аппараты, все большее распространение получает диспетчеризация и автоматизация основанных технологических простецов, которая не допускает перерывов в электроснабжении [3, 11-13].
В связи с этим надежность и бесперебойность работы систем электроснабжения в горнодобывающих отраслях зависят от уровня сопротивления изоляции РЭС и их отдельных элементов.
Таким образом, непрерывный контроль сопротивления изоляции в РЭС способствует повышению уровня электробезопасности электроустановок и надежности электроснабжения потребителей, поскольку позволяет своевременно выявить снижение сопротивление изоляции и тем самым предупредить аварии в электроустановках [14-16].
На рис. 1 приведена классификация известных схем непрерывного контроля изоляции, проведенная на основе анализа литературных источников [14, 17-19]. Отметим, что наиболее распространенной на сегодняшний день в сетях 6 кВ является схема 3-х вольтметров, подключаемых к сети через трансформатор напряжения типа НТМИ. Достоинства и недостатки этой схемы общеизвестны. Поэтому можно утверждать, что с помощью такой схемы выявляются только случаи пробоя изоляции, т.е. свершившееся событие. Последнее не позволяет своевременно выявлять начало процесса снижения уровня изоляции, а, следовательно, и управлять состоянием изоляции в РЭС.
